الكمبيوتر الكمي هو جهاز كمبيوتر يستفيد من ظواهر ميكانيكا الكم.
Quantum System One، حاسوب كمي من إنتاج شركة IBM في عام 2019 مزود بـ 20 كيوبت فائقة التوصيل[1]
في المقاييس الصغيرة، تُظهر المادة الفيزيائية خصائص كل من الجسيمات والأمواج، وتستفيد الحوسبة الكمومية من هذا السلوك، وتحديدًا التراكب والتشابك الكمومي، باستخدام أجهزة متخصصة تدعم إعداد الحالات الكمومية ومعالجتها.
لا تستطيع الفيزياء الكلاسيكية تفسير عمل هذه الأجهزة الكمومية، ويمكن لجهاز كمبيوتر كمي قابل للتطوير إجراء بعض الحسابات بشكل أسرع بشكل كبير (فيما يتعلق بقياس حجم الإدخال)[2] من أي كمبيوتر "كلاسيكي" حديث. وعلى وجه الخصوص، يمكن لجهاز كمبيوتر كمي واسع النطاق أن يكسر أنظمة التشفير المستخدمة على نطاق واسع ويساعد الفيزيائيين في إجراء عمليات المحاكاة الفيزيائية؛ ومع ذلك، فإن الوضع الحالي للتقنية تجريبي وغير عملي إلى حد كبير، مع وجود العديد من العوائق أمام التطبيقات المفيدة. علاوة على ذلك، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية القابلة للتطوير لا تحمل وعدًا للعديد من المهام العملية، وقد ثبت أن عمليات التسريع الكمي مستحيلة بالنسبة للعديد من المهام المهمة.
الوحدة الأساسية للمعلومات في الحوسبة الكمومية هي الكيوبت، على غرار البت في الإلكترونيات الرقمية التقليدية. على عكس البت الكلاسيكي، يمكن للبت الكمي أن يتواجد في حالة تراكب لحالتيه الأساسيتين. عند قياس الكيوبت، تكون النتيجة ناتجًا احتماليًا للبت الكلاسيكي، مما يجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية غير حتمية بشكل عام. إذا كان الكمبيوتر الكمي يتعامل مع الكيوبت بطريقة معينة، فإن تأثيرات تداخل الموجات يمكن أن تؤدي إلى تضخيم نتائج القياس المطلوبة. يتضمن تصميم الخوارزميات الكمومية إنشاء إجراءات تسمح للكمبيوتر الكمي بإجراء العمليات الحسابية بكفاءة وسرعة.
لقد أثبتت الهندسة الفيزيائية للبتات الكمومية عالية الجودة أنها صعبة. إذا لم يتم عزل الكيوبت الفيزيائي بشكل كافٍ عن بيئته، فإنه يعاني من عدم الترابط الكمي، مما يؤدي إلى إدخال الضوضاء في الحسابات. ومن المفارقة أن عزل البتات الكمومية بشكل مثالي أمر غير مرغوب فيه أيضًا، لأن الحسابات الكمومية تحتاج عادةً إلى تهيئة الكيوبتات، وإجراء تفاعلات الكيوبتات الخاضعة للتحكم، وقياس الحالات الكمومية الناتجة. كل من هذه العمليات تؤدي إلى أخطاء وتعاني من الضوضاء، وتتراكم هذه الأخطاء.
من حيث المبدأ، يمكن للكمبيوتر غير الكمي (الكلاسيكي) حل نفس المشكلات الحسابية التي يحلها الكمبيوتر الكمي، مع توفير الوقت الكافي. تأتي الميزة الكمومية في شكل تعقيد زمني بدلاً من قابلية الحساب، وتُظهر نظرية التعقيد الكمي أن بعض الخوارزميات الكمومية للمهام المختارة بعناية تتطلب خطوات حسابية أقل بشكل كبير من أفضل الخوارزميات غير الكمومية المعروفة. يمكن نظريًا حل مثل هذه المهام على كمبيوتر كمي واسع النطاق، في حين أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لن تنهي العمليات الحسابية في أي فترة زمنية معقولة. ومع ذلك، فإن التسريع الكمي ليس عالميًا أو حتى نموذجيًا عبر المهام الحسابية، حيث ثبت أن المهام الأساسية مثل الفرز لا تسمح بأي تسريع كمي مقارب. وقد لفتت ادعاءات التفوق الكمومي اهتمامًا كبيرًا إلى هذا التخصص، ولكنها ظهرت في المهام المفتعلة، في حين تظل حالات الاستخدام العملي على المدى القريب محدودة.
لسنوات عديدة، شكلت مجالات ميكانيكا الكم وعلوم الكمبيوتر مجتمعات أكاديمية متميزة.[3] تطورت نظرية الكم الحديثة في عشرينيات القرن الماضي لتفسير ازدواجية الموجة والجسيم التي لوحظت على المقاييس الذرية،[4] وظهرت أجهزة الكمبيوتر الرقمية في العقود التالية لتحل محل أجهزة الكمبيوتر البشرية لإجراء العمليات الحسابية المملة.[5] كان لكلا التخصصين تطبيقات عملية خلال الحرب العالمية الثانية. لعبت أجهزة الكمبيوتر دورًا رئيسيًا في التشفير في زمن الحرب،[6] وكانت فيزياء الكم ضرورية للفيزياء النووية المستخدمة في مشروع مانهاتن.[7]
ومع قيام الفيزيائيين بتطبيق نماذج ميكانيكا الكم على المشكلات الحسابية واستبدال البتات الرقمية بالكيوبتات، بدأت مجالات ميكانيكا الكم وعلوم الكمبيوتر في التقارب. في عام 1980، قدم بول بينيوف آلة تورينج الكمومية، التي تستخدم نظرية الكم لوصف جهاز كمبيوتر مبسط.[8] عندما أصبحت أجهزة الكمبيوتر الرقمية أسرع، واجه الفيزيائيون زيادة هائلة في النفقات العامة عند محاكاة ديناميكيات الكم،[9] مما دفع يوري مانين وريتشارد فاينمان إلى اقتراح بشكل مستقل أن الأجهزة القائمة على الظواهر الكمومية قد تكون أكثر كفاءة لمحاكاة الكمبيوتر.[10] [11] [12] في ورقة بحثية عام 1984، قام تشارلز بينيت وجيل براسارد بتطبيق نظرية الكم على بروتوكولات التشفير وأثبتا أن توزيع المفتاح الكمي يمكن أن يعزز أمن المعلومات. ثم ظهرت خوارزميات الكم لحل مشاكل أوراكل، مثل خوارزمية دويتش في عام 1985،[15] خوارزمية في عام 1993،[16] وخوارزمية سيمون في عام 1994.[17] لم تحل هذه الخوارزميات المشكلات العملية، لكنها أثبتت رياضيًا أنه يمكن للمرء الحصول على مزيد من المعلومات عن طريق الاستعلام عن صندوق أسود بحالة كمومية في حالة تراكب، يشار إليها أحيانًا باسم التوازي الكمي.[18] بنى بيتر شور على هذه النتائج باستخدام خوارزمياته عام 1994 لـ Breaki
باستخدام بروتوكولات التشفير RSA وDiffie-Hellman المستخدمة على نطاق واسع،[19] والتي لفتت الانتباه بشكل كبير إلى مجال الحوسبة الكمومية.[20] في عام 1996، أنشأت خوارزمية جروفر تسريعًا كميًا لمشكلة البحث غير المنظم القابلة للتطبيق على نطاق واسع. في نفس العام، أثبت سيث لويد أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها محاكاة الأنظمة الكمومية دون الحمل الأسي الموجود في عمليات المحاكاة الكلاسيكية،[23] مما يؤكد صحة تخمين فاينمان عام 1982.[24]
على مر السنين، قام التجريبيون ببناء حواسيب كمومية صغيرة الحجم باستخدام الأيونات المحتجزة والموصلات الفائقة.[25] في عام 1998، أظهر حاسوب كمي ثنائي البت جدوى هذه التقنية،[26] [27] وأدت التجارب اللاحقة إلى زيادة عدد الكيوبتات وتقليل معدلات الخطأ.[25] في عام 2019، أعلنت شركة جوجل للذكاء الاصطناعي ووكالة ناسا أنهما حققتا التفوق الكمي باستخدام آلة ذات 54 كيوبت، حيث قامت بإجراء عملية حسابية مستحيلة لأي كمبيوتر كلاسيكي.[28] [29] [30] ومع ذلك، فإن صحة هذا الادعاء لا تزال قيد البحث بنشاط.[31][32]
تُظهر نظرية العتبة كيف أن زيادة عدد الكيوبتات يمكن أن يخفف من الأخطاء،[33] ومع ذلك تظل الحوسبة الكمومية المتسامحة تمامًا مع الأخطاء "حلمًا بعيد المنال إلى حد ما".[34] وفقًا لبعض الباحثين، قد يكون للآلات الكمومية المتوسطة الحجم (NISQ) الصاخبة استخدامات متخصصة في المستقبل القريب، لكن الضوضاء في البوابات الكمومية تحد من موثوقيتها.[34]
وقد زاد الاستثمار في أبحاث الحوسبة الكمومية في القطاعين العام والخاص. وكما لخصت إحدى الشركات الاستشارية،[37]
... تتدفق الدولارات الاستثمارية، وتتكاثر الشركات الناشئة في مجال الحوسبة الكمومية. ... بينما تعد الحوسبة الكمومية بمساعدة الشركات على حل المشكلات التي تتجاوز نطاق وسرعة أجهزة الكمبيوتر التقليدية عالية الأداء، فإن حالات الاستخدام تجريبية وافتراضية إلى حد كبير في هذه المرحلة المبكرة.
مع التركيز على وجهة نظر إدارة الأعمال، فإن التطبيقات المحتملة للحوسبة الكمومية مقسمة إلى أربع فئات رئيسية هي الأمن السيبراني، وتحليلات البيانات والذكاء الاصطناعي، والتحسين والمحاكاة، وإدارة البيانات والبحث.[38]
في ديسمبر 2023، أبلغ الفيزيائيون، لأول مرة، عن تشابك الجزيئات الفردية، والذي قد يكون له تطبيقات مهمة في الحوسبة الكمومية.[39] أيضًا في ديسمبر 2023، نجح العلماء في جامعة هارفارد في إنشاء "دوائر كمومية" تصحح الأخطاء بكفاءة أكبر من الطرق البديلة، والتي قد تزيل عقبة رئيسية أمام أجهزة الكمبيوتر الكمومية العملية. تم دعم فريق بحث هارفارد من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وQuEra Computing، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وبرينستون، وتم تمويله من قبل برنامج DARPA للتحسين باستخدام الأجهزة الكمومية المتوسطة الحجم المزعجة (ONISQ). وتستمر الجهود البحثية لبدء الحوسبة الكمومية من خلال الأساليب الطوبولوجية والضوئية أيضًا.[44]
يمكن معالجة حالة هذه الذاكرة الكمومية ذات الكيوبت الواحد من خلال تطبيق البوابات المنطقية الكمومية، وهو ما يشبه كيفية معالجة الذاكرة الكلاسيكية باستخدام البوابات المنطقية الكلاسيكية. إحدى البوابات المهمة لكل من الحساب الكلاسيكي والكمي هي بوابة NOT، والتي يمكن تمثيلها بمصفوفة
�
:=
(
0
1
1
0
)
.
{\displaystyle X:={\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}}.}
رياضيًا، يتم تصميم تطبيق مثل هذه البوابة المنطقية على متجه الحالة الكمومية بضرب المصفوفة. هكذا
�
|
0
⟩
=
|
1
⟩{\displaystyle X|0\rangle =|1\rangle } و
�
|
1
⟩
=
|
0
⟩{\displaystyle X|1\rangle =|0\rangle }.
يمكن توسيع رياضيات بوابات الكيوبت الفردية لتعمل على الذكريات الكمومية متعددة الكيوبت بطريقتين مهمتين. إحدى الطرق هي ببساطة اختيار كيوبت وتطبيق تلك البوابة على الكيوبت المستهدف مع ترك بقية الذاكرة دون أن تتأثر. هناك طريقة أخرى تتمثل في تطبيق البوابة على هدفها فقط إذا كان جزء آخر من الذاكرة في الحالة المرغوبة. ويمكن توضيح هذين الاختيارين باستخدام مثال آخر. الحالات المحتملة للذاكرة الكمومية ثنائية الكيوبت هي:
|
00
⟩
:=
(
1
0
0
0
)
;
|
01
⟩
:=
(
0
1
0
0
)
;
|
10
⟩
:=
(
0
0
1
0
)
;
|
11
⟩
:=
(
0
0
0
1
)
.
{\displaystyle |00\rangle :={\begin{pmatrix}1\\0\\0\\0\end{pmatrix}};\quad |01\rangle :={\begin{pmatrix}0\\1 \\0\\0\end{pmatrix}};\quad |10\rangle :={\begin{pmatrix}0\\0\\1\\0\end{pmatrix}};\quad |11\rangle :={\تبدأ{pmatrix}0\\0\\0\\1\end{pmatrix}}.}
يمكن بعد ذلك تمثيل بوابة NOT (CNOT) التي يتم التحكم فيها باستخدام المصفوفة التالية:
لا
:=
(
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
)
.
{\displaystyle \operatorname {CNOT} :={\begin{pmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&0&1\\0&0&1&0\end{pmatrix}}.}
وكنتيجة رياضية لهذا التعريف،
لا
|
00
⟩
=
|
00
⟩{\textstyle \اسم المشغل {CNOT} |00\rangle =|00\rangle },
لا
|
01
⟩
=
|
01
⟩{\textstyle \اسم المشغل {CNOT} |01\rangle =|01\rangle },
لا
|
10
⟩
=
|
11
⟩{\textstyle \operatorname {CNOT} |10\rangle =|11\rangle }، و
لا
|
11
⟩
=
|
10
⟩{\textstyle \operatorname {CNOT} |11\rangle =|10\rangle }. بمعنى آخر، يطبق CNOT بوابة NOT (
�
{\textstyle X} من قبل) إلى الكيوبت الثاني إذا وفقط إذا كان الكيوبت الأول في الحالة
|
1
⟩ {\textstyle |1\rangle }. إذا كان الكيوبت الأول هو
|
0
⟩{\textstyle |0\rangle }، لم يتم فعل أي شيء لأي من الكيوبتات.
باختصار، يمكن وصف الحساب الكمي بأنه شبكة من البوابات والقياسات المنطقية الكمومية. ومع ذلك، يمكن تأجيل أي قياس حتى نهاية الحساب الكمي، على الرغم من أن هذا التأجيل قد يأتي بتكلفة حسابية، لذلك تصور معظم الدوائر الكمومية شبكة تتكون فقط من بوابات منطقية كمومية ولا توجد قياسات.
.jpeg)
.jpeg)
.webp)
0 التعليقات: